STM32定时器多任务并发与PWM呼吸灯效果实现实验

尘封319

809人浏览 · 2025-10-20 23:03:41

尘封319 · 2025-10-20 23:03:41 发布

一：STM32定时器多任务并发器

1.实验内容
通过定时器Timer方式实现时间的精准控制，相当于给CPU上了一个闹钟，CPU平时处理其它任务，当定时时间到了以后，处理定时相关的任务。内容要求为设置一个5秒的定时器，每隔5秒从串口发送“hello windows！”；同时设置一个2秒的定时器，让LED等周期性地闪烁，实现一个多任务并发运行的功能。在此实验我们不采用定时器来同时完成上面两个周期性任务。
2.建立工程
（1）创建新项目并选择芯片：
在STM32cubeMx主页面中创建新项目，在芯片中我们所使用的是STM32F103C8T6。
（2）配置参数：

配置io口参数
应实验要求我们要设置一个2秒的定时器，让LED等周期性地闪烁，这里我们选择PC13作为LED灯的输出，如下图：
配置系统时钟
点击左侧 “Pinout & Configuration”→“RCC”，在 “High Speed Clock (HSE)” 中选择 “Crystal/Ceramic Resonator”（使用外部晶振）。
如下图：

点击 “Clock Configuration”，将系统时钟（HCLK）配置为 72MHz：
若外部晶振为 8MHz，设置PLL Source为HSE，PLL MUL为x9，使PLLCLK为 72MHz；
确保AHB Prescaler为/1，APB1 Prescaler为/2，APB2 Prescaler为/1，最终HCLK显示为 72MHz。
配置好后如下图所示：
在这里插入图片描述

配置SYS
选择调试接口，选择SYS，在右侧的Debug中选择Serial Wire如下图：
配置TIM2与TIM3
定时器 TIM2配置如下：

TIM3配置如下：
开启中断
如下图所示我们配置好TIM2和TIM3后开启中断
USART1 配置
模式：异步通信（Asynchronous）。
参数：波特率115200、数据位8、停止位1、无校验。
如下图：
项目配置
如下图：

配置好以上后我们生成项目点击GENERATE CODE进入keil5
3.编写代码：
（1）在主函数内输入启动定时器函数

	HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);
	HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);

如图：
在这里插入图片描述
如此我们就可以启动定时器2和定时器3
（2）在主函数上方定义需要发送的信息（“hello windows！”）

	uint8_t hello[20]="hello windows！\r\n";

如下图：
在这里插入图片描述
（3）编写定时器中断函数

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	static uint32_t time_cnt =0;
	static uint32_t time_cnt3 =0;
	if(htim->Instance == TIM2)
	{
		if(++time_cnt >= 400)
		{
			time_cnt =0;
			HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_13);
		}
	}
	if(htim->Instance == TIM3)
	{
		if(++time_cnt3 >= 1000)
		{
			time_cnt3 =0;
    HAL_UART_Transmit(&huart1,hello,20,100000);
		}
			
	}
}

如下图：
在这里插入图片描述
5秒的定时器，每隔5秒从串口发送“hello windows！”；同时2秒的定时器，让LED等周期性地闪烁，按照参数配置中一次中断时间为0.005s所以当发生一千次中断时串口会发送一次信息，而led会在发生四百次中断时会闪烁一次。
（4）结果展示
串口：

屏幕录制 2025-10-20 190420

led:

leddd

二：PWM呼吸灯效果实现

1.STM32CubeMx配置
（1）建立工程：
在STM32cubeMx主页面中创建新项目，在芯片中我们所使用的是STM32F103C8T6。
（2）配置参数

配置系统时钟
点击左侧 “Pinout & Configuration”→“RCC”，在 “High Speed Clock (HSE)” 中选择 “Crystal/Ceramic Resonator”（使用外部晶振）。
如下图：

点击 “Clock Configuration”，将系统时钟（HCLK）配置为 72MHz：
若外部晶振为 8MHz，设置PLL Source为HSE，PLL MUL为x9，使PLLCLK为 72MHz；
确保AHB Prescaler为/1，APB1 Prescaler为/2，APB2 Prescaler为/1，最终HCLK显示为 72MHz。
配置好后如下图所示：
配置SYS
选择调试接口，选择SYS，在右侧的Debug中选择Serial Wire如下图：
配置TIM3
定时器 TIM3（PWM 输出）：
模式：PWM Generation CH1，预分频器PSC=71，自动重装值ARR=999（频率 = 72MHz/(71+1)/(999+1)=1kHz）。
引脚：PA6设为TIM3_CH1复用推挽输出。
如下图：

在这里插入图片描述

TIM4配置
定时器 TIM4（PWM 输出）：
模式：PWM Generation CH1，预分频器PSC=71，自动重装值ARR=999。
引脚：PB6设为TIM4_CH1复用推挽输出。
如下图：

（3）如上操作生成代码后进入main.c文件实现代码

int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_TIM3_Init();
  MX_TIM4_Init();

  // 启动TIM3和TIM4的PWM输出（通道1）
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_1);

  // 呼吸灯参数初始化
  uint16_t tim3_duty = 0;  // TIM3占空比（0~999）
  uint16_t tim4_duty = 0;  // TIM4占空比（0~999）
  int8_t step = 5;         // 占空比变化步长（每次增减5，控制变化速度）

  while (1) {
    // 更新TIM3的PWM占空比
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, tim3_duty);
    // 更新TIM4的PWM占空比
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim4, TIM_CHANNEL_1, tim4_duty);

    // 调整占空比（从0→999→0循环）
    tim3_duty += step;
    tim4_duty += step;

    // 当占空比达到最大值（999）或最小值（0）时，反向变化
    if (tim3_duty >= 999 || tim3_duty <= 0) {
      step = -step;  // 步长取反，改变变化方向
    }

    // 延时10ms，控制呼吸灯变化速度（延时越短，变化越平滑）
    HAL_Delay(10);
  }
}

2.实验结果

呼吸

三：实验总结

本次实验围绕嵌入式系统中定时器精准定时与PWM波形生成两大核心功能展开，通过实际编程与硬件验证，深入理解了嵌入式多任务并发与模拟信号输出的实现逻辑，收获颇丰。
1.定时器多任务并发实验的理解与收获
在第一个实验中，我们采用定时器（Timer）替代传统的循环延时或 delay 函数，实现了多任务的“并发”运行。传统延时方式会让CPU陷入“空等”，浪费算力；而定时器则像给CPU设置“闹钟”，平时CPU可处理其他任务，定时时间到达后再响应中断、执行对应任务。
实验中，我们成功配置了两个定时器：一个5秒定时器用于串口周期性发送“hello windows!”，另一个2秒定时器控制LED闪烁。这一过程让我深刻体会到**嵌入式系统中“时间片”与“中断驱动”的设计思想——通过硬件定时器的中断机制，将CPU时间合理分配给不同任务，避免了单任务阻塞导致的功能停滞。
对于“无定时器实现多任务”的思考，进一步拓展了我的思路：可采用“轮询+时间戳”**的方式，在主循环中不断检查两个任务的“目标执行时间”是否到达，若到达则执行对应任务并更新时间戳。这种方式本质上是用软件模拟定时器的时间管理逻辑，虽不如硬件定时器精准，但能在无定时器资源时实现多任务的近似并发。
2.PWM呼吸灯实验的原理与实践
第二个实验聚焦PWM（脉冲宽度调制）技术在LED呼吸灯中的应用。PWM通过改变“高电平占空比”（即一个周期内高电平时间的比例），可实现对输出“平均电压”的调节——占空比越大，LED亮度越高；占空比越小，亮度越低。实验中，我们使用TIM3和TIM4定时器分别输出占空比随时间变化的PWM波形，驱动外接LED与开发板上的PC13端口LED，实现了“呼吸”效果（亮度从暗到亮再到暗的循环）。
在实践过程中，我掌握了PWM的核心配置步骤：
（1）定时器时基配置：设置自动重装载值（ARR）与预分频系数（PSC），确定PWM的周期；
（2）输出比较模式配置：将定时器通道配置为PWM模式，使能输出比较功能；
（3）占空比动态调整：在程序中周期性修改“比较寄存器”（CCR）的值，让占空比随时间线性变化，从而模拟“呼吸”的渐变效果。